JP6316578B2 - 走査電子顕微鏡システム及びそれを用いたパターン計測方法並びに走査電子顕微鏡 - Google Patents

走査電子顕微鏡システム及びそれを用いたパターン計測方法並びに走査電子顕微鏡 Download PDF

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Description

本発明は、半導体ウェハ上に形成されたパターンの寸法計測を行う方法に係り、特にアスペクト比が高い穴パターンや溝パターンの寸法測定を行う走査電子顕微鏡システム及びそれを用いたパターン計測方法並びに走査電子顕微鏡に関する。
半導体製造工程でのパターン寸法管理には、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope:ＳＥＭ）を半導体専用に特化した測長ＳＥＭが広く用いられている。図２Ａに従来の測長ＳＥＭの基本構成を示す。電子銃１０１から放出された、一次電子ビーム１０２はコンデンサレンズ１０３で細く絞られ、偏向器１０４により試料上を２次元的に走査される。加速電圧としては、１ｋＶ程度の比較的低加速電圧が用いられることが一般的である。電子ビーム照射によって試料１０７から発生した二次電子１２０を検出器１２１で捕らえることで二次電子線像が得られる。傾斜角効果、あるいは、エッジ効果によって、二次電子線像上ではパターンエッジ部が明るい画像となるので、画像処理手法によりエッジ位置を検出することによって寸法が求められる。
半導体デバイスのコスト低減は、微細化によってチップ面積を小さくすることによって実現されてきたが、チップ面積を小さくすることによって得られるコストメリットをリソグラフィなどの製造コストの増加が相殺するようになってきた。ＮＡＮＤフラッシュメモリにおいては、新たなコスト低減策として、メモリセルアレイを積み上げて３次元化する技術（３Ｄ−ＮＡＮＤ）の開発が加速している。
３Ｄ−ＮＡＮＤは、電極膜と絶縁膜を交互に積層した後に、最上層から最下層に貫通する穴を一度に開け（図３Ａ参照）、穴側面にメモリ膜を形成し、柱状電極を埋め込むという工程を経て形成される。同プロセスの成否を握っているのは穴開け工程であり、適正な径の穴が、最下層まで貫通することがキーとなる。穴の開口/非開口、あるいは、穴のトップ径/ボトム径の管理が求められている。
穴の開口/非開口、あるいは、穴のトップ径/ボトム径を観察する技術として、例えば特許文献１には、試料の溝又は孔の側壁或いは低面で反射した電子が、試料内を貫通して試料表面から脱出或いは試料表面で三次電子を発生させるに足る十分なエネルギを持つような高エネルギの一次電子を試料に照射してアスペクト比が３前後の穴パターンを観察する走査型電子顕微鏡について記載されている。特許文献１では、一次電子の加速電圧として、１００ｋＶ及び２００ｋＶの例を示している。
また、特許文献１には、反射電子を対物レンズと思量との間に配置してシンチレータで検出し、対物レンズの中心の空洞部分を通過した三次電子を引き出し電界で引き出してシンチレータで検出する構成が記載されている。
一方、特許文献２には、走査型電子顕微鏡を用いて５０ｋＶ以上で加速した電子線を試料に照射して、試料から発生した２次電子や３次電子をシンチレータで検出して、孔や溝内部を観察することが記載されている。また、特許文献１と同様に、反射電子を対物レンズと試料との間に配置してシンチレータで検出し、対物レンズの中心の空洞部分を通過した三次電子を引き出し電界で引き出してシンチレータで検出する構成が記載されている。
特開平４−１４９９４４号公報 特開平６−３１００７５号公報
上記穴開け工程を管理するためには、穴径約５０ｎｍ、深さ２ｕｍ以上という非常に高アスペクト比の穴の検査・計測を行う必要がある。しかしながら、図２Ｂに示すように、従来の測長ＳＥＭにおいては、穴内部で発生した二次電子は、外に脱出する前に内壁に衝突して消滅するため、穴底からの信号はほとんど得られず、特に重要な穴のボトム径を計測できないという課題があった。
特許文献１に記載されている方法によれば、穴の底から発生した高エネルギーの反射電子と、この高エネルギーの反射電子が孔の側壁を透過することにより発生する三次電子とを吸引電極で分離して、それぞれ検出する構成が記載されている。しかし、アスペクト比が大きい細くて深い穴が形成された試料から発生する三次信号のレベルは一般的に低くなる。従って、特許文献１に記載されているような三次電子を吸引電極で吸引して検出する構成では、試料から発生した三次電子のうち一部しか検出することができず、アスペクト比が大きい細くて深い穴を観察する場合に、十分な三次電子の検出信号レベルを確保することが難しい。
また、特許文献１に記載されている、反射電子を対物レンズと試料との間に配置したシンチレータで検出し、対物レンズの中心の空洞部分を通過した三次電子を引き出し電界で引き出してシンチレータで検出する構成では、試料から発生した三次電子のうち対物レンズの中心の空洞部分を通過した一部の三次電子しか検出することができず、十分な三次電子の検出信号レベルを確保することが難しい。更に、アスペクト比が大きい深い穴の底から発生した反射電子のうち孔の開口部から外部に放出される反射電子は、孔の中心軸に沿った方向に進む成分が多くなるために、対物レンズの中心の空洞部分を除いてその周りに配置したシンチレータでは検出することが難しくなる。一方、特許文献２に記載されている走査型電子顕微鏡装置においても、開示されているシンチレータでは、試料から発生した三次電子のうち一部しか検出することができず、十分な三次電子の検出信号レベルを確保することが難しいことに加えて、アスペクト比が大きい深い穴の底から発生した反射電子は、孔の中心軸に沿った方向に進む成分が多くなるために、対物レンズの中心の空洞部分を除いてその周りに配置したシンチレータでは検出することが難しくなる。
本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、高アスペクト比の穴径又は溝幅の計測を可能にするとともに、穴又は溝の深さの計測を可能にする走査電子顕微鏡システム及びそれを用いたパターン計測方法並びに走査電子顕微鏡を提供するものである。
上記した課題を解決するために、本発明では、基板上に形成された穴パターン又は溝パターンを計測する走査電子顕微鏡システムを、基板上に形成されたパターンに対して一次電子線を走査して照射する一次電子線照射手段と、一次電子線照射手段により一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子のうち穴パターン又は溝パターンの側壁を突き抜けた後方散乱電子を検出する後方散乱電子検出手段と、後方散乱電子検出手段で検出した後方散乱電子の強度分布に対応する電子線像を生成する電子線像生成手段と、電子線像生成手段で生成した電子線像上の明部領域内に存在する暗部領域の明部領域との境界領域を求めて、この求めた境界領域を穴パターン又は溝パターンのエッジ位置として検出する画像処理手段とを備えて構成した。
また、上記した課題を解決するために、本発明では、基板上に形成された穴パターン又は溝パターンを計測する走査電子顕微鏡システムを、基板上に形成されたパターンに対して一次電子線を走査して照射する一次電子線照射手段と、一次電子線照射手段により一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子のうち穴パターン又は溝パターンの側壁を突き抜けた後方散乱電子を検出する後方散乱電子検出手段と、後方散乱電子検出手段で検出した後方散乱電子の強度分布に対応する電子線像を生成する電子線像生成手段と、電子線像生成手段で生成した電子線像上の明部領域内に存在する暗部領域の明部領域との境界領域を求めて、この求めた境界領域の内部の暗部領域の明るさの情報から穴パターン又は溝パターンの深さを推定する深さ推定手段とを備えて構成した。
また、上記した課題を解決するために、本発明では、基板上に形成された穴パターン又は溝パターンを計測する走査電子顕微鏡システムを、基板上に形成されたパターンに対して一次電子線を走査して照射する一次電子線照射手段と、一次電子線照射手段により一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子のうち穴パターン又は溝パターンの側壁を突き抜けた後方散乱電子を検出する後方散乱電子検出手段と、後方散乱電子検出手段で検出した後方散乱電子の強度分布に対応する電子線像を生成する電子線像生成手段と、電子線像生成手段で生成した電子線像上の明部領域内に存在する暗部領域の明部領域との境界領域を求めて、この求めた境界領域を穴パターン又は溝パターンのエッジ位置として検出する画像処理手段と、電子線像生成手段で生成した電子線像上の明部領域内に存在する暗部領域の明部領域との境界領域を求めて、この求めた境界領域の内部の暗部領域の明るさの情報から穴パターン又は溝パターンの深さを推定する深さ推定手段とを備えて構成した。
更にまた、上記した課題を解決するために、本発明では、基板上に形成された穴パターン又は溝パターンを計測する走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法において、電子顕微鏡で基板上に形成された穴パターン又は溝パターンに対して一次電子線を走査して照射し、一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子のうち穴パターン又は溝パターンの側壁を突き抜けた後方散乱電子を検出し、検出した後方散乱電子の強度分布に対応する電子線像を生成し、この生成した電子線像上の明部領域内に存在する暗部領域の明部領域との境界領域を求め、この求めた境界領域を穴パターン又は溝パターンのエッジ位置として検出することと、求めた境界領域の内部の暗部領域の明るさの情報から穴パターン又は溝パターンの深さを推定することの何れか又は両方を行うようにした。
更にまた、上記した課題を解決するために、本発明では、基板上に形成された穴パターン又は溝パターンを計測する電子顕微鏡を、基板上に形成されたパターンに対して一次電子線を走査して照射する一次電子線照射手段と、一次電子線照射手段により一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子のうち穴パターン又は溝パターンの側壁を突き抜けた後方散乱電子を検出する後方散乱電子検出手段と、後方散乱電子検出手段で検出した後方散乱電子の強度分布に対応する電子線像を生成する電子線像生成手段とを備えて構成した。
本発明によれば、高アスペクト比の穴径の計測が可能になるとともに、穴深さの計測が可能となる。
本発明の第１の実施例に係る走査電子顕微鏡システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例に係るシンチレータの平面図である。 穴パターンに１次電子ビームを照射したときに穴パターンの底から後方散乱電子（ＢＳＥ）が発生した状態を模式的に示す穴パターンの断面図である。 従来の走査電子顕微鏡システムの撮像光学系の構成を示すブロック図である。 従来の走査電子顕微鏡システムの撮像光学系で、穴パターンに１次電子ビームを照射したときに穴パターンの底から後方散乱電子（ＢＳＥ）が発生した状態を模式的に示す穴パターンの断面図である。 本発明の第１の実施例に係る代表的な計測対象である高アスペクト比の穴が正しく形成された状態を示す穴パターンが形成された試料の断面図である。 本発明の第１の実施例に係る代表的な計測対象である高アスペクト比の穴が浅く形成されて正しく形成されなかった状態を示す穴パターンが形成された試料の断面図である。 本発明の第１の実施例に係る代表的な計測対象である高アスペクト比の穴が深く形成されて正しく形成されなかった状態を示す穴パターンが形成された試料の断面図である。 トップ径とボトム径とが同じ寸法で形成された穴パターンが形成された試料の断面図である。 トップ径とボトム径とが異なる寸法で形成された穴パターンが形成された試料の断面図である。 トップ径とボトム径とが同じ寸法で形成された穴パターンが形成された試料と異なる寸法で形成された穴パターンが形成された試料とのそれぞれ１次電子ビームを照射したときに検出される２次電子（ＳＥ）の検出強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 トップ径とボトム径とが同じ寸法で形成された穴パターンが形成された試料と異なる寸法で形成された穴パターンが形成された試料とのそれぞれ１次電子ビームを照射したときに検出される後方散乱電子（ＢＳＥ）の検出強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 穴パターンから発生した低角ＢＳＥによるＢＳＥ画像である。 穴パターンの低角ＢＳＥ画像のＡ−Ａ断面における信号波形にBottom line と Slope line とを当てはめて、ボトム径を算出する状態を示す信号波形図である。 穴パターンの低角ＢＳＥ画像のＡ−Ａ断面における信号波形に第1のしきい値と第２のしきい値とを当てはめて、穴径1と穴径２とを算出する状態を示す信号波形図である。 本発明の第２の実施例において、深さの異なる穴パターンに１次電子ビームを照射したときに検出される後方散乱電子（ＢＳＥ）の強度分布を示すグラフである。 本発明第２の実施例において、１次電子ビームの加速電圧ごとの穴パターンの深さと穴底から発生した後方散乱電子（ＢＳＥ）との関係をプロットしたグラフである。 穴パターンが形成された試料に１次電子ビームを照射したときに、穴底から後方散乱電子が発生する状態を模式的に示した穴パターンが形成された試料の顔面図である。 穴パターンが形成された試料に１次電子ビームを照射したときに、穴底から発生する後方散乱電子の仰角に応じた分布を、穴深さごとの求めたグラフである。 本発明第２の実施例に係る穴パターンの画像の明るさにより穴深さを求める処理の処理フローを示すフロー図である。 穴パターンの深さのウェハ内の分布を示すウェハマップである。 本発明第２の実施例に係る、平均原子番号と反射電子強度との関係を示すグラフである。 本発明第２の実施例に係る、試料の材質がＳｉＧeの場合の穴パターンの穴深さと穴深さとＢＳＥ画像における穴パターンの明るさとの関係を１次電子ビームの加速電圧毎に求めたグラフである。 本発明第２の実施例に係る、試料の材質がＳｉの場合の穴パターンの穴深さと穴深さとＢＳＥ画像における穴パターンの明るさとの関係を１次電子ビームの加速電圧毎に求めたグラフである。 本発明第２の実施例に係る、穴深さと明るさの関係を表す検量線の作成方法を説明するフロー図である。 本発明第３の実施例に係る走査電子顕微鏡システムの撮像光学系の構成を示すブロック図である。 穴パターンに１次電子ビームを照射したときに穴パターンのトップエッジから二次電子が発生した状態を模式的に示す穴パターンの断面図である。 穴パターンに１次電子ビームを照射したときに得られる穴パターンの二次電子像図である。 図１２Ａの二次電子像のＡ−Ａ断面における信号波形を示す信号波形図である。 第3の実施例に係るホールパターンのトップ径ｄ１、穴深さｈ、ボトム径ｄ２を示すホールパターンの斜視図である。 本発明第３の実施例に係るＳＥ像の模式図である。 本発明の第３の実施例に係るＢＳＥ像の模式図である。 本発明第４の実施例に係る走査電子顕微鏡システムの撮像光学系の構成を示すブロック図である。 穴パターンに１次電子ビームを照射したときに穴底から発生した高角のＢＳＥが穴の開口を通過して穴外に放出される状態を模式的に示す、穴パターンの断面図である。 本発明第４の実施例に係る寸法計測アルゴリズムを示すフロー図である。 本発明第５の実施例に係るユーザ・インタフェースを説明する図であって、計測すべきパターンを指定する計測ボックスを示す図である。 本発明第５の実施例に係るユーザ・インタフェースを説明する図であって、側壁膜材料及び穴底材料を指定する材料指定ボックスを示す図である。 本発明第５の実施例に係るユーザ・インタフェースを説明する図であって、ＢＳＥとＳＥの選択光学条件や、出力情報表示部の出力内容の設定を行う条件設定ボックスを示す図である。 高アスペクト比の溝パターンの断面構造を説明する斜視図である。 本発明の第６の実施例に係る走査電子顕微鏡システムの撮像光学系の構成を示すブロック図である。 本発明第６の実施例に係る走査電子顕微鏡システムの撮像光学系の用いる方位方向分割型の低角ＢＳＥ検出器の平面図である。
本発明は、試料に高加速電圧の電子線を照射し、低角度（例えば仰角５度以上）の後方散乱電子（ＢＳＥ）を検出することによって、穴底から放出され側壁を突き抜けた、“突き抜けＢＳＥ”で穴底観察を行うようにしたものである。なお、本明細書においては、仰角を、計測対象である試料の表面の法線方向と放出電子の放出方向との成す角度として定義する。
また、穴が深いと突き抜け距離が相対的に長くなるので、突き抜けＢＳＥの量が減って像が暗くなるという特性を利用して、穴深さと明るさの関係を表す検量線を与えて、穴深さの計測を行うようにした。
以下、実施例を図面を用いて説明する。
図１Ａは本発明が適用される走査電子顕微鏡システム１００の基本構成である。電子顕微鏡システム１００は、撮像光学系００１、制御部０２１、演算部０２２、記憶部０２３、および入出力部０２４等から構成される。撮像光学系００１は、電子銃１０１から高加速電圧（例えば３０ｋＶ以上）の１次電子ビーム１０２を発生し、この１次電子ビーム１０２をコンデンサレンズ１０３で集束し、さらに対物レンズ１０５に通すことにより試料２００の表面に集束する。
１次電子ビーム１０２は、偏向器１０４により試料２００の上を２次元的に走査される。試料２００から放出される低角度方向の後方散乱電子１１０を環状のＹＡＧシンチレータ１０６（図１Ｂ参照）で受けて光信号に変換し、光ファイバ１１１により高電子増倍管１１２に導き、画像生成部１１３によりデジタル画像を生成する。この際、画像が適正な明るさになるよう、明るさ補正が行われるのが一般的である。撮像された画像は、記憶部０２３に保存される。ステージ１０８を移動することにより、試料の任意の位置での画像撮像が可能である。
制御部０２１は、電子銃１０１周辺に印加する電圧、コンデンサレンズ１０４および対物レンズ１０５の焦点位置調整、ステージ１０８の移動、画像生成部１１３の動作タイミング等を制御する。演算部０２２では、撮像画像を用いて寸法計測処理を行う。試料情報の入力、撮像条件の入力、寸法計測結果の出力等は、入出力部０２４により行われる。
図１Ａに示したような構成を用いて、高エネルギー（高加速電圧）の一次電子線を試料２００に照射することにより、試料２００からは高エネルギーの後方散乱電子（Back Scattered Electron: ＢＳＥ）が放出される。この放出されたＢＳＥは、図１Ｃに示したように、試料２００に形成した穴２１０の側壁を突き抜けて、円環型のシンチレータ１０６に達する。これにより、穴底の観察が可能となる。
従来技術の場合も、穴底に一次電子が照射されれば、ＢＳＥが放出されるが、一次電子が低エネルギー（低加速電圧）なので、ＢＳＥのエネルギーも低く、従って、大半のＢＳＥは側壁内を進むうちにエネルギーを失って、突き抜けられない（図２Ｂ参照）。
本発明は、高加速電圧と低角ＢＳＥ（試料２００の表面の法線方向との成す角度が比較的大きい方向に発生したＢＳＥ）を組み合わせることで、“突き抜けＢＳＥ”という、従来とは異なる検出原理に基づく穴底観察を可能にしたものといえる。
なお、低角ＢＳＥの検出には、ＹＡＧシンチレータ１０６の他、環状の半導体検出器、あるいは、ロビンソン型検出器を用いてもよい。また、環状の代わりに、複数方向に検出器を配置するような構成してもよい。
本発明の有効性を電子線シミュレーション（モンテカルロシミュレーション）によって確認した結果を図４Ａ乃至図４Ｄに示す。図４Ａの場合、サンプル４０１に形成された穴４１１の断面形状は、トップ径ｔｄ１：７０ｎｍ、ボトム径ｂｄ１：７０ｎｍ、穴深さｈｄ１：３．２ｕｍのホール（以下、ｔ７０ｂ７０ホールと記す）、また図４Ｂの場合、サンプル４０２に形成された穴４１２の、断面形状は、トップ径ｔｄ２：７０ｎｍ、ボトム径ｂｄ２：３０ｎｍ、穴深さｈｄ２：３．２ｕｍのホール（以下、ｔ７０ｂ３０ホールと記す）のを示す。加速電圧は３０ｋＶとし、二次電子像（Secondary Electron Image: ＳＥ像）は、エネルギーが５０ｅＶ以下の電子を検出することによって、低角ＢＳＥ像は、エネルギーが５０００ｅＶ以上、放出電子の仰角（本明細書においては、仰角を試料２００の表面の法線方向と放出電子の放出方向との成す角度として定義する）が１５−６５度の電子を検出することによって得た。
図４Ａ及び図４Ｂに示した断面形状が異なる穴４１１、４１２が形成されたサンプル４０１と４０２に一次電子ビーム１０２を照射したときに検出されるＳＥ像の信号波形を図４Ｃに、低角ＢＳＥ像の信号波形を図４Ｄに示す。同図の横軸は穴４１１または４１２の中心からの距離である。ｔ７０ｂ７０ホールにおいては、ｘ＝３５ｎｍが穴底エッジ、ｔ７０ｂ３０ホールにおいては、ｘ＝１５ｎｍがボトムエッジ端に相当する。同図の縦軸は検出信号強度（Ｙｉｅｌｄ）である。
ＳＥ像の場合、図４Ｃのように、ｔ７０ｂ７０ホール（図４Ａの穴４１１）が形成された試料４０１から検出されたＳＥ像の信号波形４２１及び、ｔ７０ｂ３０ホール（図４Ｂの穴４１２）が形成された試料４０２から検出された低角ＢＳＥ像の信号波形４２２において、穴底部の信号強度が必要に小さく、この信号波形からボトムエッジ位置を検出するのは困難である。
一方、低角ＢＳＥ像の場合、図４Ｄのように、ｔ７０ｂ７０ホール（図４Ａの穴４１１）が形成された試料４０１から検出された低角ＢＳＥ像４３１の信号波形の立ち上がり位置はｘ＝３５ｎｍ付近に、ｔ７０ｂ３０ホール（図４Ｂの穴４１２）が形成された試料４０２から検出された低角ＢＳＥ像４３２の信号波形の立ち上がり位置はｘ＝１５ｎｍ付近にあり、ＳＥ像よりも、穴底エッジ位置の検出に適していることが分かる。
穴底エッジ位置の具体的な検出方法を図５Ａ乃至図５Ｃに示す。図５Ａのように、ホールパターンの低角ＢＳＥ像５０１は、ホール内５０２が暗く、ホール外５０３が明るい画像となる。穴側壁が切り立っている場合はエッジがシャープな画像に、穴側壁にテーパがある場合は、エッジがぼけた画像となる。図５Ｂ、図５Ｃの信号波形５１０および５２０は、図５Ａのホール５０２を横切るＡ−Ａのスライス波形である。図４Ｄが示すように、ボトムエッジ端は、信号波形の立ち上がり位置なので、図５Ｂのように、信号波形のボトム領域と、スロープ領域に対して、それぞれ、Ｂｏｔｔｏｍ ｌｉｎｅ：５１１、Ｓｌｏｐｅ ｌｉｎｅ：５１２を当てはめ、これらの交点をボトムエッジ端５１３として検出し、ボトム径５１４を求める。あるいは、図５Ｃのように、信号波形のｍａｘ値５２１とｍｉｎ値５２２を適当な比で内分するしきい値を与えて、しきい値と信号波形との交点をエッジ点としても良い。この際、大小二つのしきい値（ｔｈ１：５２３とｔｈ２：５２４）を与えて、穴径１：５２５と穴径２：５２６を求めるようにしても良い。穴径１：５２５と穴径２：５２６の差（穴径１−穴径２）を側壁傾斜角指標値として、この側壁傾斜角指標値の大小によって、側壁テーパの大小をモニタすることが可能である。
以上述べた、実施例１は本発明の基本構成である。本実施の形態によれば、従来技術では計測不可能であった、高アスペクト比の穴径計測が可能となる。
本実施例では、穴径だけでなく、穴深さの計測を行う方法を提供する。
本発明は、側壁を突き抜けたＢＳＥを検出することで穴底観察を実現しているが、穴が深くアスペクト比が大きくなると、穴の底から放出された電子が側壁を突き抜けて表面に達するのに要する距離が長くなるため、途中でエネルギーを使い果たして突き抜けられなくなる電子の比率が増加する。換言すると、撮像画像上では、穴が深いほど穴部が暗いという関係を用いることで、穴深さを計測（推定）することが可能である。
以下、穴深さの計測を実現するための構成要件を明らかにする。なお、本実施例で用いる走査電子顕微鏡システムの構成は、実施例１で説明した図１Ａに示した走査電子顕微鏡システム１００の構成と同じである。
図６Ａは、試料に形成した穴の穴深さ２．０ｕｍの場合と３．２ｕｍの場合にそれぞれに一次電子ビームを照射したときに検出される低角ＢＳＥ像の信号波形６１１と６１２の比較を示したグラフ６１０である。いずれも、試料に形成したホールパターンのトップ径（図４Ｂのｔｄ２に相当）は７０ｎｍ、ボトム径（図４Ｂのｂｄ２に相当）は３０ｎｍであり、加速電圧、その他の条件は、図４Ａ乃至図４Ｄで説明したシミュレーションと共通である。ホールパターンの穴深さ（図４Ｂのｈｄ２に相当）２．０ｕｍの場合の信号波形６１１における穴底に対応する部分からＢＳＥを検出した信号６１１１の信号強度よりも、穴深さ３．２ｕｍの場合の信号波形６１２における穴底に対応する部分からＢＳＥを検出した信号６１２１の信号強度の方が明らかに小さいことが分かる。これは、ＳＥを検出する従来技術とは大きく異なる特徴である。
図６Ｂは、試料に照射する一次電子の加速電圧が１５ｋＶと３０ｋＶと４５ｋＶにおける、試料に形成したホールパターンの穴深さと穴底部に対応する部分からＢＳＥを検出した信号（図６Ａの信号６１１１および６１２１に相当）の信号強度（ｙｉｅｌｄ）６２１、６２２、６２３の関係を示すグラフ６２０である。加速電圧が高い方が信号強度が大きいのは、ＢＳＥのエネルギーが高い分、側壁を突き抜けて試料の最上面まで達する電子の数が多いためである。深い穴の底を観察する場合には一次電子を高加速電圧で試料に照射した方が有利であり、本発明が対象とするような、深さ３ｕｍ以上の穴（アスペクト比が４０を超える穴）の場合、一次電子の加速電圧を３０ｋＶ以上にすることが望ましいことを示している。従来技術の加速電圧は１ｋＶ程度であるから、試料に形成した穴の側壁を突き抜けるようなエネルギーを持った突き抜けＢＳＥを検出することは不可能である。
図７Ａ及び図７Ｂは突き抜けＢＳＥの検出に適した仰角（図７Ａ参照）の範囲を明らかにするために実施したシミュレーションの結果である。図６Ａ及び図６Ｂで説明した場合と同様に、試料に形成したホールパターンのトップ径ｔｄ３を７０ｎｍ、ボトム径ｂｄ３を３０ｎｍとした。図７Ｂのグラフ７１０に、穴深さｈｄ３が０．１ｕｍ、０．６ｕｍ、１．２ｕｍについての、仰角に対する信号強度の分布を示す。
なお、図４Ａ乃至図４Ｄで説明したシミュレーションでは、図１Ｂに示したような環状シンチレータ１０６を想定して、放出電子が検出される仰角７０３の範囲を１５−６５度としたが、図７Ａ及び図７Ｂのシミュレーションにおいては、全仰角を検出するようにしている。同図が示すように、仰角５度以下では、穴深さが異なっていても、信号強度にはあまり差がない。これは、穴底から放射されて直上の穴開口から穴外に脱出した電子が多く含まれるからである（∵穴深さによって信号強度が変わるのは、側壁内の通過距離の違いに依存するので、側壁を通過していない電子の場合は、穴深さによる信号強度の違いは生じない）。穴深さの計測には、仰角５度以上の低角のＢＳＥを検出することが望ましいことが分かる。
本実施例においては、ＢＳＥの検出に試料２００と対物レンズ１０５の間に設けた、環状のシンチレータ１０６を用いているので（図１参照）、高角のＢＳＥはシンチレータ１０６中央の穴１０６１を通りぬける。したがって、このシンチレータ１０６中央の穴１０６１を通りぬけた高角（仰角７０３が小さい）のＢＳＥはシンチレータ１０６で検出されないので、この要件は満たされる。
一方、ＢＳＥ検出信号の信号量を確保するには、シンチレータ１０６によるＢＳＥを検出するための仰角のカバー範囲は広い方が有利である。図７Ｂのグラフ７１０に示した仰角とＢＳＥ信号強度との関係から、少なくとも、ＢＳＥ検出信号の信号強度が大きい仰角２０度から６０度の範囲をカバーすることが望ましい。本実施例においては、シンチレータ１０６の径、およびシンチレータ１０６と試料２００との距離を調整することにより、この要件を満たすことが可能である。
図８Ａは、穴深さ計測の処理の流れを示すフロー図である。図１Ａに示した走査電子顕微鏡システム１００における入力部０２４から、撮像倍率、加速電圧等の撮像条件を入力する（Ｓ８０１）。次に、撮像光学系００１にてＳ８０１ｄｅ入力された条件に基づいて試料２００の画像を取得する（Ｓ８０２）。撮像光学系００１にて試料２００を撮像して得られた画像信号は演算部０２２に入力される（Ｓ８０３）。
演算部０２２では、画像８１０に示すように、穴部８１１の平均明るさＢ０を算出し（Ｓ８０３１）、撮像時のビーム電流Ｉｐ、画像生成時に適用された明るさ補正値（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ、Ｃｏｎｔｒａｓｔ）に基づいて、穴部８１１の平均明るさを、変換式:Ｂ１＝f（Ｂ０，Ｉｐ，brightness, constant）を用いてＢ１に変換する（Ｓ８０３２）。次に、グラフ８２０に示すような穴深さと穴の明るさの関係を表す検量線８２１を参照することで、穴の深さを求める（Ｓ８０３３）。
Ｓ８０３２において、穴の明るさをＢ０からＢ１に変換するのは、画像上の穴の明るさは、ビーム電流値や明るさ補正値によっても変化するので、基準条件下での明るさに変換しなければ、検量線を参照する意味がないからである。換言すると、検量線８２１は、基準条件下での、図８Ｂのウェハマップ８３０に示すような穴深さと穴の明るさの関係である必要がある。
図９Ａ乃至図９Ｃを用いて検量線について補足する。図９Ａのグラフ９１０は、反射電子強度の原子番号依存性９１１を示す。原子番号（化合物の場合は平均原子番号）が大きいほど、反射電子強度（ｙｉｅｌｄ）が高いという関係にある。半導体プロセスで用いられる代表的な材料をグラフにプロットした。括弧内は、平均原子番号である。例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉは積層膜材料（図３Ａの２０１、２０２）に、ＳｉＧｅはストッパ膜（図３Ａの２０５）に用いられる。反射電子強度に比例して、突き抜けＢＳＥの強度も変化するので、検量線は材料別に加速電圧ごとのデータとして持つ必要がある。また、図６Ｂに示したように、試料２００に照射する一次電子ビーム１０２の加速電圧によっても突き抜けＢＳＥの強度は異なる。従って、図９Ｂのグラフ９２０、及び図９Ｃのグラフ９３０に示すように、材料別、加速電圧別の検量線のデータを持つことが必要である。
検量線のデータ作成は、穴の深さが段階的に変わる標準試料が作成可能な場合は、穴の明るさを実測して作成すれば良いが、そうした標準試料の作成が難しい場合もある。この場合は、図１０に示すように、穴深さが既知の実測データ（１０１０）１〜２点を、シミュレーションの結果（１０２０）に基づいて補間する（１０３０）ことによって検量線１０４０を得るようにしても良い。このような検量線のデータ１０４１を複数の加速電圧毎に求めておけばよい。
以上述べた、実施例２は、ハードウェアの基本構成は実施例１と同じであるが、加速電圧３０ｋＶ以上、仰角５度以上の要件を満たし、穴深さと穴明るさの関係を表す検量線を用いることにより、穴深さの計測を可能とするものである。
また、実施例１と実施例２とは、ハードウェアの構成が同じであることから、同一のシステム構成で、実施例１と実施例２とを実行することが可能である。
本発明に係る第３の実施例の撮像光学系００２の基本構成を図１１Ａに示す。第１の実施例（図１Ａ参照）で説明した撮像光学系００１との違いは、１０７試料から放出される二次電子１２０を検出する検出器１２１が加わった点である。
図２Ｂ、あるいは、図４Ｃ、図４Ｄに示したように、試料に形成された穴の穴底から放出された二次電子（ＳＥ）が穴外に脱出することはできないが、図１１Ｂに示すように、穴のトップエッジ１３１付近で放出された二次電子１３０は検出器１２１で検出される。
図１２Ａに示した模式図１３０のように、穴１３１１のトップエッジ１３１２付近で放出された二次電子（図１１Ｂの１３０）は、エッジ効果によって、画像上では明るいピークとなるので、穴のトップ径の計測に適している。図１２Ｂのように、信号波形１３２０のピーク１３２１，１３２２を検出すれば、ホールのトップ径１３２３を求めることが可能である。
実施例１と実施例２と実施例３を組み合わせれば、図１２Ｃのように、ホール（穴）１３３０のトップ径ｄ１：１３３１、穴深さｈ：１３３３、ボトム径ｄ２：１３３２が求まるで、冒頭述べた計測課題であった、穴のトップ径/ボトム径の管理に必要な情報が取得可能となる。
さらに、図１１Ａに示す撮像光学系００２を用いて、検出器１０６による低角ＢＳＥ像と、検出器１２１によるＳＥ像の同時取得を行えば、次のようなメリットもある。図１３ＡはＳＥ像の模式図１４１０、図１３ＢはＢＳＥ像の模式図１４２０である。図１３ＡのＳＥ像の模式図１４１０におけるホール１４１１と図１３ＢのＢＳＥ像の模式図１４２０におけるホール１４２１のように、ＳＥ像とＢＳＥ像のホール中心のずれは、穴が垂直にあいていないことを示唆するものである。
ＳＥ像とＢＳＥ像との同時取得を行わない場合は、画像撮像時の位置ずれと、穴パターンの偏心の区別ができないが、ＳＥ像とＢＳＥ像とを同時取得の場合には、この問題がないので、同じ穴パターンについてＳＥ像とＢＳＥ像とを比較することにより、穴パターンの偏心度をより正確に求めることができる。
本実施の形態によれば、同時に検出した低角ＢＳＥ像とＳＥ像を併用することにより、穴のトップ径がより正確に計測できると共に、穴の垂直度を管理するのに有効な情報を得ることが可能となる。
本発明に係る第４の実施例の撮像光学系００３の基本構成を図１４Ａに示す。第１の実施例（図１参照）で説明した撮像光学系００１との違いは、撮像光学系００３には、試料１０７から放出される高角ＢＳＥ１５０（試料１０７の表面と成す角度が比較的大きな角度方向に放出されたＢＳＥ１５０）を検出する検出器１５１と高角ＢＳＥ像を生成する画像生成部１５２が加わった点である。
検出器１５１は、図１４Ｂに示すような、試料１０７に形成したホール（穴）１５０１の穴底１５０３からほぼ直上に放出され、穴１５０１の開口１５０２を通過して、穴外に放出される高角のＢＳＥ１３０を検出する。高角のＢＳＥ１３０を検出した検出器１５１からの出力信号は、高角ＢＳＥ像を生成する画像生成部１５２に入力されてデジタル画像が生成され、演算部０２２に入力される。図７Ｂにおいて、高角のＢＳＥ像は、穴深さに対する感度がないことを説明した。言い換えると、穴の深さと関係なく、穴底材料の反射電子強度の情報を持っているのが、高角ＢＳＥ像である。
図３Ｂ、及び図３Ｃに示したように、穴２０６乃至２０９が正常に形成されていない場合、一般に、穴底の材料は不定である。シンチレータ１０６で検出される低角ＢＳＥ像の場合、穴の深さの変化によっても、穴底の材料の違いによっても信号量が変化するため、これらを判別することができない。一方、検出器１５１で検出される高角ＢＳＥ像は、穴の深さには感度がないので、信号強度から、穴底材料を推定することが可能である。
図１５に高角ＢＳＥ像を併用する場合の演算部０２２における処理フローを示す。先ず、高角ＢＳＥ像を生成する画像生成部１５２から入力された高角ＢＳＥ像から穴底の明るさを算出し（Ｓ１６０）、この明るさから穴底の材料を推定する。この際、図示しないが、低角ＢＳＥ像の場合の明るさ変換（図８のＳ８０３２）に相当するステップが必要なのは同様である。穴底材料が確定できない場合は、低角ＢＳＥ像を用いた穴深さ計測を実施する意味がないので処理を終了する。穴底材料が確定できた場合、低角ＢＳＥ像を生成する画像生成部１１３から入力された低角ＢＳＥ像を用いて穴底の明るさを算出し（Ｓ１６２）、明るさ変換（Ｓ１６３）を行った後、該当する材料、加速電圧の検量線を参照することで、穴深さを算出する（Ｓ１６４）。
本実施の形態によれば、上記のように、穴底の材料が不確定な場合においても、穴深さの計測が可能となる。
実施例５は、本発明を実行するためのユーザ・インタフェースである。実施例１〜実施例４に示した計測を自動で行うためには、事前に、種々の条件を指定したレシピを作成する必要がある。レシピでは、図１６Ａのように、計測すべきパターン１７１１を指定する計測ボックス１７１０の他、図１６Ｂに示した、側壁膜材料１７２１及び穴底材料１７２２を指定する材料指定ボックス１７２０、図１６Ｃに示したＢＳＥとＳＥの選択光学条件や、出力情報表示部１７３５の出力内容の設定を行う条件設定ボックス１７３０を、入出力部０２４の画面上に表示する。
本実施の形態によれば、本発明を実行するのに、ユーザ入力が必要な項目を指定することが可能となる。
本発明に係る第６の実施例の撮像光学系の基本構成を図１８Ａに示す。実施例１〜実施例４の構成は、穴パターン計測を主な対象とするが、本実施の形態は、高アスペクト比の溝パターン（図１７の１８５）を対象とする。例えば、３Ｄ−ＮＡＮＤプロセスにける、ワードラインのスリット形成工程がこれに相当する。本実施の形態では、撮像光学系００４に、低角ＢＳＥ検出のための検出器１８０として、方位角方向に分割した検出器１８０を用いる。
計測対象が溝パターンの場合、溝の長手方向に放出されたＢＳＥは、突き抜けＢＳＥとはならないため、これを検出しないようにして、溝の短手方向に放出された、突き抜けＢＳＥだけを検出するための検出器１８０が、図１８Ｂに示すような4つの検出素子１８０ａ〜１８０ｄを備えた方位方向分割型の検出器１８０である。溝の方向に応じて、どの方位の検出器の出力を用いるかを選択する。
図１８Ａに示した撮像光学系００４を用いることにより、図１７に示したような試料２００に形成された溝パターン１８５の深さや溝幅の計測だけでなく、実施例１及び２で説明したような、穴パターンの深さや径の計測を行いことも可能である。
本実施の形態によれば、高アスペクト比の溝パターンの計測に本発明であるところの、突き抜けＢＳＥ検出を適用することが可能となる。
００１，００２，００３，００４・・・撮像光学系 ０２１・・・制御部 ０２２・・・演算部 ０２３・・・記憶部 ０２４・・・入出力部 １０１・・・電子銃 １０２・・・一次電子線 １０３・・・コンデンサレンズ １０４・・・偏向器 １０５・・・対物レンズ １０６・・・低角ＢＳＥ検出用環状シンチレータ １０８・・・ステージ １１０・・・低角ＢＳＥ １１１・・・光ファイバ １１２・・・光電子増倍管 １１３・・・低角ＢＳＥ像を生成する画像生成部 ２００・・・試料 ２０１、２０２・・・積層膜 ２０４・・・正常に形成された穴パターン ２０５・・・ストッパ膜 ２０６、２０７・・・穴開け不足のホール ２０８、２０９・・・穴開け過剰のホール １２０・・・二次電子 １２１・・・二次電子検出器 １２２・・・二次電子像を生成する画像生成部 １３０・・・穴底から放射された二次電子 １４０・・・ＳＥ像上のホールパターン １４１・・・低角ＢＳＥ像上のホールパターン １５０・・・高角ＢＳＥ １５１・・・高角ＢＳＥ検出器 １５２・・・高角ＢＳＥ像を生成する画像生成部 １８５・・・高アスペクトの溝パターン １８０・・・方位方向分割型の低角ＢＳＥ検出器。

Claims (14)

  1. 基板上に形成された穴パターン又は溝パターンを計測するシステムであって、
    前記基板上に形成されたパターンに対して一次電子線を走査して照射する一次電子線照射手段と、
    該一次電子線照射手段により一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子のうち前記穴パターン又は溝パターンの側壁を突き抜けた後方散乱電子を検出する後方散乱電子検出手段と、
    該後方散乱電子検出手段で検出した後方散乱電子の強度分布に対応する電子線像を生成する電子線像生成手段と、
    該電子線像生成手段で生成した電子線像上の明部領域内に存在する暗部領域の前記明部領域との境界領域を求めて、該求めた境界領域の内部の暗部領域の明るさの情報から前記穴パターン又は溝パターンの深さを推定する深さ推定手段と
    を有すことを特徴とする走査電子顕微鏡システム。
  2. 基板上に形成された穴パターン又は溝パターンを計測するシステムであって、
    前記基板上に形成されたパターンに対して一次電子線を走査して照射する一次電子線照射手段と、
    該一次電子線照射手段により一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子のうち前記穴パターン又は溝パターンの側壁を突き抜けた後方散乱電子を検出する後方散乱電子検出手段と、
    該後方散乱電子検出手段で検出した後方散乱電子の強度分布に対応する電子線像を生成する電子線像生成手段と、
    該電子線像生成手段で生成した電子線像上の明部領域内に存在する暗部領域の前記明部領域との境界領域を求めて、該求めた境界領域を前記穴パターン又は溝パターンのエッジ位置として検出する画像処理手段と、
    前記電子線像生成手段で生成した電子線像上の前記明部領域内に存在する暗部領域の前記明部領域との境界領域を求めて、該求めた境界領域の内部の暗部領域の明るさの情報から前記穴パターン又は溝パターンの深さを推定する深さ推定手段と
    を有すことを特徴とする走査電子顕微鏡システム。
  3. 請求項１ないし２の何れかに記載の走査電子顕微鏡システムであって、
    前記後方散乱電子検出手段は、前記基板上に形成されたパターンに照射する一次電子線の光路を取り囲むようにして配置されて、前記一次電子線を走査して照射した前記基板から放出された後方散乱電子を検出する後方散乱電子検出器を備えていることを特徴とする走査電子顕微鏡システム。
  4. 請求項１または２に記載の走査電子顕微鏡システムであって、
    前記深さ推定手段は、予め作成した穴パターン又は溝パターンの深さと電子線像の明るさを関連づける検量線を参照して深さを算出することを特徴とする走査電子顕微鏡システム。
  5. 請求項１ないし２の何れかに記載の走査電子顕微鏡システムであって、
    さらに、前記基板から放出される二次電子を検出する二次電子検出手段と、該二次電子検出手段で検出した二次電子の強度に対応する電子線像を生成する二次電子線像生成手段と、該二次電子線像生成手段で生成した二次電子の電子線像の前記明部領域のエッジ位置に基づき前記穴パターンの上径又は前記溝パターンの幅を計測するパターン幅計測手段を更に含むことを特徴とする走査電子顕微鏡システム。
  6. 請求項１ないし２の何れかに記載の走査電子顕微鏡システムであって、
    さらに、前記基板から放出される後方散乱電子のうち仰角が５度よりも小さい方向に散乱した後方散乱電子を検出する第二の後方散乱電子検出手段と、該第二の後方散乱電子検出手段で検出した仰角が５度よりも小さい方向に散乱した後方散乱電子強度に対応する電子線像を生成する第二の電子線像生成手段と、該第二の電子線像生成手段で生成した後方散乱電子線像上の前記穴パターン又は前記溝パターンの底相当領域の明るさから、前記穴パターン又は前記溝パターンの底の材料を推定する材料推定手段を更に含むことを特徴とする走査電子顕微鏡システム。
  7. 請求項１ないし２の何れかに記載の走査電子顕微鏡システムであって、
    前記穴パターン又は溝パターンの側壁を突き抜けた後方散乱電子を検出する前記後方散乱電子検出手段は、前記後方散乱電子を方位別に検出する複数の検出面を有する検出器を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡システム。
  8. 基板上に形成された穴パターン又は溝パターンを計測する方法であって、
    電子顕微鏡で基板上に形成された穴パターン又は溝パターンに対して一次電子線を走査して照射し、
    該一次電子線が照射された前記基板から放出される後方散乱電子のうち前記穴パターン又は溝パターンの側壁を突き抜けた後方散乱電子を検出し、
    該検出した後方散乱電子の強度分布に対応する電子線像を生成し、
    該生成した電子線像上の明部領域内に存在する暗部領域の前記明部領域との境界領域を求め、
    該求めた境界領域を前記穴パターン又は溝パターンのエッジ位置として検出することと、前記求めた境界領域の内部の暗部領域の明るさの情報から前記穴パターン又は溝パターンの深さを推定することの何れか又は両方を行うことを特徴とする走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法。
  9. 請求項８記載の走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法であって、前記電子顕微鏡で、３０キロ電子ボルト以上のエネルギーを有する前記一次電子線を前記穴パターン又は溝パターンに照射することを特徴とする走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法。
  10. 請求項８に記載の走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法であって、
    前記基板上に形成されたパターンに照射する一次電子線の光路を取り囲むようにして配置された後方散乱電子検出器が、前記一次電子線を走査して照射した前記基板から放出された後方散乱電子を検出することを特徴とする走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法。
  11. 請求項８に記載の走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法であって、
    前記穴パターン又は前記溝パターンの前記深さの推定において、予め作成した穴パターン又は溝パターンの深さと電子線像の明るさを関連づける検量線を参照して深さを算出することを特徴とする走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法。
  12. 請求項８に記載の走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法であって、
    さらに、前記基板から放出される二次電子を検出して、検出した該二次電子の強度に対応する電子線像を生成し、
    生成した該二次電子の電子線像の前記明部領域のエッジ位置に基づき前記穴パターンの上径又は前記溝パターンの幅を計測する
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法。
  13. 請求項８に記載の走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法であって、
    さらに、前記基板から放出される後方散乱電子のうち仰角が５度よりも小さい方向に散乱した後方散乱電子を検出し、
    検出した該仰角が５度よりも小さい方向に散乱した後方散乱電子強度に対応する電子線像を生成し、
    生成した前記後方散乱電子強度に対応する前記電子線像上の前記穴パターン又は前記溝パターンの底相当領域の明るさから、前記穴パターン又は前記溝パターンの底の材料を推定する
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法。
  14. 請求項８に記載の走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法であって、
    前記後方散乱電子を方位別に検出する複数の検出面を有する検出器が、前記穴パターン又は前記溝パターンの側壁を突き抜けた後方散乱電子を検出する
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡システムを用いたパターン計測方法。
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